1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 选题意义及目的

随着制造业技术的发展和工艺水平的提高，对零件的表面形貌的要求也越来越高，从简单的二维表征特性表面到复杂的三维几何形貌表面，从静态测量到跟随式动态测量，从以前的测量几个孤立参数到现在的反映表面形貌特征的三十多个参数[1]，机械零件越来越复杂，越来越精密，从生产发展的历史来看,机械加工精度的提高总是与测量技术的发展水平紧密相关的。测量的精度和效率在一定程度上影响到科学技术的水平，也是机械工业发展的基础和先决条件之一[2]。

零件表面的复杂化要求测量仪器越来越精密化，并对表面形貌作出快速而准确的测量和评定，测量仪器最关键的部分就是传感器的设计，本文要设计一种利用光学计量系统的触针式位移传感器，在评定和测量的过程中，触针式表面轮廓测量仪稳定可靠，并对环境要求低，适用于测量同时含有形状和纹理特征的零件，而光学式计量系统精度高，该传感器兼具两者优点，触针式位移传感器的静态和动态特性对表面形貌快速准确的评定和测量也有着很重要的意义,传感器的参数直接影响到测量结果，本文对轮廓测量仪的输入端，即传感器，进行结构设计和动静态特性分析，并且通过实验进行测试，验证传感器的参数，对触针式传感器作系统的研究，这也是本文选题的意义所在。

通过本次的毕业设计，目的是设计出一种利用激光干涉条纹来反映表面形貌的触针式位移传感器，它将接触式的触针式传感器和非接触式的光学式结合在一起，利用干涉原理实现非接触测量作为测量结果的输出，具有两者的优点：测量速度快，稳定可靠，测量精度高，范围广，可应用于研究机构和工业现场，涉及到的有机械结构、光学计量系统，并对其进行动态和静态测量，对运动，接触，力，以及误差进行分析，最后达到可以进行实验测试、验证的目的。

1.2国内外现状分析

触针式测量仪器经久不衰，虽然其在测量过程中有可能产生划痕、低扫描速度、测量区域有限的缺点，但其测量结果可靠，测量范围大[3]。因此触针式轮廓仪一直是各国的国家标准和国际制定标准的依据，国际上关于它的研究也不断在进行。

20世纪以前，人们只能通过触摸法和观察法来对物体表面评定[4]，1940年英国Taylor- Hobson公司研制了Talysurf系列表面粗糙度测量仪[5]，1984年推出高分辨率的Form-Talysurf系列产品，最具典型特征的产品非球面测量系统Form-Talysurf PGI 1250A 粗糙度轮廓仪，如图2.1所示，PGI 1250A 采用柱面光栅干涉原理，解决了陡峭非球面的测量问题并实现了全自动高精度测量，主要技术参数：导轨直线度0.11μm/200mm，12.5mm的粗糙度测量范围，0.8nm的分辨率，形状误差精度50-80nm；德国Hommel公司的T系列的轮廓仪有便携式、台式和便携式一身、高精度和同时测量多个轮廓参数的特点；日本Mitutoyo公司生产的Surftest系列轮廓仪可测量各种复杂表面；美国Veeco公司的Dektak3ST型表面测量系统如图2.2所示，其触针式轮廓仪最高分辨率达0.1nm。

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我国的粗糙度轮廓仪生产厂家有哈尔滨量具刃具制造产、上海量具刃具厂、上海泰明和北京时代公司等，哈量集团作为中国最大工量具制造企业，生产的轮廓仪分辨率可达0.005μm，上量达到0.3μm，北京时代公司的在线测量分辨率达0.05-10μm，其分辨率和可靠性与国外的产品仍存在差距。高校中如华中科技大学谢铁邦教授对基于相位光栅衍射的大范围轮廓仪仪器进行了研制[6]，哈尔滨工业大学徐红对接触式台阶测量数据分析与处理系统进行研究[7]。

我国关于触针式传感器的研究有天津大学和华中科技大学，天津大学对触针式测量方法逼近随机表面的过程建立了动态模型，对触针测量过程粘弹性非线性模型；华中科技大学刘晓军分析了相位光栅式传感器非线性误差并建立了动态误差补偿模型，衷颖杰研究了大量程轮廓测量传感器误差分析与补偿[8]，杨波基于白光干涉的触针式表面粗糙度测量技术的研究[9]。

1.3发展趋势

表面测量领域现在呈现出一片繁荣的景象，根据测量原理的不同，测量方法有接触式测量、非接触式的光学测量和非光学式的扫描显微镜测量。今后的发展趋势主要会从：传统的触针式仪器朝着高分辨率、大量程方向发展；表面测量与当今计算机技术、高集成化电路技术和机电一体化技术结合，实现多功能、超小型体系结构；专用传感器的研制也会成为一大课题。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容及目标

触针式位移传感器作为表面形貌测量的输入端在整个测量系统中是极为重要的，本文所选的对象是杠杆式触针、激光干涉计量位移传感器，主要研究有以下三方面的内容：

2.1.1对触针式位移传感器进行结构设计；

结构设计的工作包含机械部分进行数学建模；对触针的分析设计，保证针尖触头良好接触工件表面；杠杆的设计，并分析此测量方法引起的非线性误差；光路的设计分析；光学器件的选择，如激光器、反射镜、棱镜、光电接收器。

2.1.2对触针式位移传感器的动静态特性进行理论分析和仿真测试；

该触针式传感器静态特性有量程、分辨率、测量精度等，本文要对这些参数进行合理的选择和设定，还要分析接触特性，测量力的特性，受力特性；动态特性主要是运动特性，工作台的连续移动使得杠杆连续偏摆，本文需要分析该响应过程的动态响应能力，包括传感器的测量速度、杠杆的响应速度，响应频率，需要对杠杆的受力进行有限元分析，对所设计的整个杠杆测量系统进行模态分析，求得其固有频率和在某一固有频率下的模态振型，最后还要对影响其测量精度的因素进行总结和分析。

2.1.3对触针式位移传感器的动静态特性进行试验设计，进行性能测试和分析。

通过设计实验进行分析、验证理论计算的结果，对触针式传感器进行动态指标和静态指标的测试。

2.2拟采用的技术方案和措施

2.2.1传感器的结构设计

针对通用的表面轮廓仪微位移传感器提出技术要求：垂直方向的量程5mm，分辨率小于10nm。首先进行传感器总体结构的设计，拟采用如图2.1所示的机械和光学结构。

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机械结构主体为一个弓形折杆式的杠杆机构，杠杆的长的一端连着触针，由于重力的作用，触针紧贴着待测工件的表面，另一端杠杆上安装一个角锥棱镜，中间支点部分用铰接支承方式连接，该杠杆式触针测量原理是工作台可以带动待测物体上下移动以及水平面上xy方向的移动，物体表面的凹凸不平使触针上下移动，从而带动杠杆发生微小的摆动，并将杠杆机构的摆动转换成光路的偏移而使产生的干涉条纹发生移动，再通过光电接收器和信号转换电路将干涉信号转换成电信号，通过专用计算机进行调试、检测和分析。测量系统采用的是光学测量，主要结构是分光棱镜，光线可以进行反射也可以透过棱镜，配合平面反射镜和角锥棱镜，光电接收器接收到明暗相间的干涉条纹，角锥棱镜的偏摆会导致干涉条纹的移动，再通过后续转换电路转换成电信号输入到计算机里，从而得到表面实时数据。

2.2.2触针式位移传感器的动静态特性

建立了传感器的三维模型，如下图4.6。触针式轮廓仪的动态特性研究主要指的是其运动特性，工作台的移动速度就是测量速度，根据针尖的半径和测量速度由公式可以算出测量频率，本文分析此响应过程的动态响应能力，包括传感器的测量速度、传感器的响应速度、响应频率，分析影响这些参数的因素，如各铰接处的摩擦、杠杆的材质，还将通过ANSYS软件分析触针的动态跟随性能，对所设计的测量系统进行模态分析，求得其固有频率和在某一固有频率下的模态振型，通过模态分析和谐响应分析获得在一定频率范围内的结构响应和结构应力，判断是否发生共振。

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2.2.3试验设计，进行性能测试和分析

通过理论分析和有限元分析后，搭建实验平台，设计实验进行分析、验证各技术参数，该部分将对各软件功能模块做详细说明，数据采集后通过实验室已有的调试软件、测量软件、分析评定软件来测试精度是否达到要求，测量结果是否准确，并对实验测试结果作出分析。

3. 研究计划与安排

第1-2周，收集查阅与设计题目相关的资料，选定需要翻译的外文资料，进行外文资料的翻译；
第3-4周，撰写并完成开题报告；
第5-6周，完成触针式位移传感器结构设计并建立模型；
第7-8周，触针式位移传感器的动静态特性进行理论分析和仿真测试；
第9-11周，触针式位移传感器的动静态特性试验设计；
第12-13周，触针式位移传感器的性能测试和分析；
第14-15周，设计资料的整理，撰写毕业设计说明书，准备答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]唐文彦,张军,李慧鹏. 触针法测量表面粗糙度的发展及现状[j]. 机械工艺师,2000,(11):40-42.

[2]whitehouse d j. 表面计量中触针式仪器的若干进展(英文)[j]. 纳米技术与精密工程,2011,(04):283-290.

[3]hiroya fukatsu . kazuhisa yanagi development of an optical stylusdisplacement sensor for surface profiling instruments received: 28 july 2003 /accepted: 28 october 2003 / published online: 10 august 2005